高水分挤压技术(HMEP)被认为是模仿动物肉纤维结构、生产植物基肉制品最具潜力加工技术之一。研究表明，热处理是确保在HME过程中发生必要物理化学变化的关键因素，影响产品的流变特性和流动模式。近红外光谱（NIR）技术被提出用于快速评估HME加工的热加工强度，通过创建校准模型量化不同加工参数（如温度、时间、螺杆速度等）对挤出产品的影响，为优化产品质量提供新的方法和见解。

在HME过程中，热处理对于植物基材料的蛋白质变性和聚集至关重要，而NIR光谱则能有效测量加工强度，利用偏最小二乘回归分析建立了校准模型。这种方法不仅能够评估加工参数对产品质量的综合影响，还揭示了加工强度与产品纹理化之间的关系，为制定在线加工优化策略提供了理论支持。

Graphical abstract

ALPHA® 8 IP 大豆浓缩蛋白（SPC，干物质含量 93.9 wt%，蛋白质含量 62.0 wt%）购自 Solae, LCC（美国密苏里州）。将 39 wt% 的 SPC 与去离子水混合，室温水合 30 分钟后置于内部开发的高温剪切池（HTSC）中，由 Haake PolyLab QC 系统驱动进行热机械处理。加工前用油浴预热至目标温度，加工后冷却至 50°C，并储存于 –20°C。

两组 HTSC 产品分别在90至160°C，转速30 rpm，加工15分钟，以及恒温140°C、转速30rpm、加工时间2.5至15分钟（步长2.5 分钟）条件下生产，用于建立偏最小二乘回归模型并评估加工时间影响。

NIR 光谱测量由ASD LabSpec 地物光谱仪（Malvern Panalytical，英国）进行。测量使用面积扫描探头，探头放在三脚架上，尽可能靠近样品上方，但不要接触 HTSC 产品或挤出物。测量前，HTSC 产品或挤出物完全解冻，测量在室温下进行。HTSC 产品的 NIR 光谱是在 HTSC 产品半径的中间测量的。挤出物的 NIR 光谱是在一个挤压样品的三个不同位置采集的。探头有一个内置的 6.5 W 卤素光源用于照明，光纤用于捕捉反射光。

采用高温剪切池 (HTSC) 处理来研究热机械结构化过程中处理温度对所得产品近红外 (NIR) 光谱的影响。图 1 显示了在 90-160 °C 温度下处理的 HTSC 产品在 400–2200 nm 和 800–1400 nm 波长范围内的平均吸光度光谱。

图 1. 在 90-160°C 的温度下处理的 HTSC 产品在整个（400-2200 nm）（A）光谱范围内和缩小（800-1400 nm）（B）光谱范围内的吸收光谱，如在恒定转速（30 rpm）和处理时间（15 分钟）下从浅蓝色到深蓝色的颜色所示。

在可见光范围（400-750 nm），吸光度随加工温度升高而增加，尤其在 150°C 和 160°C 时，颜色加深可能与美拉德反应或糖焦糖化有关（图 2A，图 2B）。在近红外光谱（NIR）中，主要吸收峰位于 980、1200、1450 和 1930 nm，分别对应水、碳水化合物和蛋白质中的功能基团（图 2A）。

高温剪切池（HTSC）加工时，温度升高至 130°C，1450 和 1930 nm 的吸光度增加，表明蛋白质聚集；但进一步升温至 160°C，吸光度下降，可能由于肽键断裂或蛋白质氧化（Ju 等，2023；Bordignon 等，2023）。为减少颜色和水分对模型的影响，分析波长缩减至 800-1400 nm，增强了加工温度对吸光度趋势的清晰度（图 2B）。

总之，HTSC 加工温度影响蛋白质和碳水化合物特性，NIR 技术可有效捕捉其变化。

图 2. 基于标准正态变量 (SNV) + 全光谱范围 (400–2200 nm) (A) 和缩小光谱范围 (800–1400 nm) (B) 的一阶导数 NIR 吸光度的 HTSC 加工温度 PLS 回归校准模型。

图 3. 基于缩小的（800-1400 nm）光谱范围的 HTSC 加工温度的回归系数 PLS 回归模型。最高峰用波长数标注。

图 4. 在不同加工时间下生产的 HTSC 产品的 NIR 吸收光谱 (A) 和这些产品的预测加工温度 (B)。虚线表示设定的加工温度。蓝点表示加工时间，是加工温度 PLS 回归模型校准集的一部分 (15 分钟)。

图 5. 用螺杆轮廓 A（实心符号）和 B（空心符号）在 100–160 °C（用符号颜色表示）和 200–1200 rpm（用符号形状表示）下生产的挤出物的纹理化程度，在切割试验中测量，并与熔体温度（A）或等效剪切单元温度（B）作图。红线是所有数据点的线性拟合趋势线。纹理化程度为 1 时的水平黑色虚线表示具有各向同性性质的结构。垂直蓝色虚线表示高于该温度时所有挤出物的纹理化程度均高于 1。

本研究成功结合近红外光谱与偏最小二乘回归，创建了受控加工条件下高温剪切池 (HTSC) 产品加工温度的定量校正模型。随后利用该模型计算等效剪切室温度（Equivalent Shear Cell Temperature），以评估高水分挤压 (HME) 过程中的热加工强度。等效剪切室温度综合反映了剪切应力、局部温度效应和停留时间对热加工强度的影响。研究表明，挤出物的纹理化程度与等效剪切室温度相关。通过系统化的方法，本研究深入探讨了加工参数（如机筒温度和螺杆转速）在 HME 期间对热加工强度的影响。这些发现为进一步优化加工条件提供了科学依据，从而有助于制备理想的模拟肉类产品。